Введение к работе
[О[ %~7
Актуальность темы.
Использование материалов, сочетающих высокую прочность, жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, открывает широкие возможности для усовершенствования технологических процессов и повышения качества продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, а также в друї их областях техники. Этим условиям в значительной степени отвечают биметаллические и многослойные материалы.
В настоящее время используются следующие основные промышленные способы получения биметалла: литое плакирование, пакетная сварка прокаткой, автовакуумная сварка давлением, электродуговая наплавка.
Все перечисленные способы не обеспечивают требуемого качества соединения из разнородных металлов, особенно образующих между собой хрупкие интерметаллидные соединения. Для получения таких биметаллов все шире применяется сварка металлов взрывом.
Этот способ, в создание которого внесли большой вклад такие ученые, как А.А. Дерибас, А.Г. Кобелев, В.М. Кудинов, Ю.А. Конон, П.О. Пашков, В.И. Лысак, СВ. Кузьмин, Ю.П. Трыков, B.C. Седых, А.В. Крупин, И.Д. Захаренко, Э.С. Атрощенко и др., а также научный персонал ряда научных центров: Института гидродинамики СО АН СССР (г. Новосибирск), Волгоградского государственного технического университета, Института электросварки им. Е.С). Пагона (г. Киев), Алтайского научно-исследовательского института технологии и машиностроения, Пензенского государственного университета и др., позволяет изготавливать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов с необходимыми прочностными и пластическими свойствами.
Сварку взрывом наиболее целесообразно применять для соединения таких металлов и сплавов, которые известными способами получить затруднительно или невозможно. Сварка взрывом эффективна также при изготовлении крупногабаритных заготовок площадью в несколько квадратных метров.
І . , ..-.ЬОНАЛЬНАЯ
j Б»:Ы5ИОТЕКА
Проблемам сварки взрывом посвящено большое количество работ, анализируя которые можно выделить основные направления исследований: 1) исследования динамики разгона и конфигурации пластин в процессе их соударения; 2) металлофизические исследования течения материалов в контактной зоне и образования интерметаллических соединений, а также остаточных напряжений; 3) исследования физических явлений - струеобразования, волнообразования, тепловых явлений; 4) исследования служебных характеристик сваренных взрывом материалов; 5) связь параметров процесса с качеством соединения; 6) исследования причин появления дефектов и меры борьбы с ними; 7) исследования особенностей работы и расчета оборудования для сварки взрывом и др.
Однако, несмотря на глубину и разносторонность исследований, остаются неизученными многие вопросы рационализации и усовершенствования схем, параметров сварки взрывом для конкретных изделий различного функционального назначения. Сложность физических и структурных явлений, происходящих в зоне сварного шва и околошовной зоне, требует дополнительных исследований для конкретных условий сварки и последующей эксплуатации композиционных изделий.
После сварки взрывом полученные композиционные материалы подвергаются различным видам последующих технологических операций (прокатка, термическая обработка, штамповка и др.). В результате этих операций физико-механические и эксплуатационные характеристики данных материалов могут претерпевать значительные изменения.
В связи с этим определение комплексного подхода при исследовании технологического процесса производства композиционных изделий, работающих в конкретных условиях, способных приводить к глубоким изменениям в структуре и свойствах материалов, представляется необходимым и является весьма актуальной задачей.
Цель работы.
Создание научно обоснованной технологии изготовления тонколистового биметалла медь-алюминий, включающей в себя рациональный выбор технологических параметров сварки взрывом и по-
следующей термической обработки для получения изделий с повышенными физико-механическими характеристиками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать способ изготовления тонколистовых биметаллических материалов, позволяющий гибко управлять основными параметрами процесса сварки взрывом с целью обеспечения высокой прочности и технологичности изделий;
исследовать влияние технологических параметров ударно-волнового нагружения (скорости соударения и скорости точки контакта) на прочность, микроструктуру и образование прослоек фаз в зоне соединения металлов меди и алюминия для предложенной схемы сварки;
определить режим термической обработки, обеспечивающий восстановление физико-механических свойств биметалла медь-алюминий без образования промежуточных интерметаллидных соединений;
разработать математическую модель (пакет прикладных программ), позволяющую определять основные параметры сварки взрывом для предложенной схемы;
исследовать физико-механические характеристики изделий, изготовленных из полученного биметалла;
разработать и внедрить технологию получения тонколистового биметалла медь-алюминий сваркой взрывом для изделий различного функционального назначения.
Методы исследований.
В качестве объектов исследования были выбраны биметаллические медно-алюминиевые образцы, полученные сваркой взрывом из алюминия АД1 и меди Ml. Анализ микроструктуры, оценку механических свойств и распределение микротвердости у образцов на всех этапах исследования осуществляли по стандартным методикам. Исследование фазового состава образующихся в ходе изотермического отжига в зоне сварного шва интерметаллидных прослоек проводили с помощью электронно-зондового микроанализатора "JCXA-733". Измерение переходного электросопротивления биметалла проводили
согласно ГОСТ 22261-94 на приборе микроомметр БСЗ-010-2. Испытания и оценку результатов по пластичности биметалла проводили согласно ГОСТ 10510-80 на приборе Эриксена. Расчет параметров соударения свариваемых элементов и математическая обработка экспериментальных данных осуществлялись с помощью специализированных пакетов прикладных программ.
Научная новизна.
-
Разработана математическая модель расчета и выбора технологических параметров сварки взрывом (скорости соударения и скорости точки контакта), позволяющая управлять данными параметрами в широком диапазоне с целью получения требуемой структуры и свойств материалов за счет использования в схеме нагружения промежуточных клиновидных элементов из инертного материала малой плотности (поролон, пенопласт и др.).
-
Установлена взаимосвязь между технологическими параметрами ударно-волнового нагружения, структурой, фазовым составом, прочностными и электрофизическими свойствами получаемого биметалла, на основе чего произведен выбор рациональных значений этих параметров, обеспечивающих получение соединений, обладающих заданными физико-механическими характеристиками.
-
Исследованы структурные превращения в биметалле медь-алюминий при термической обработке. Определены коэффициенты диффузии и энергии активации образования фаз, что явилось основой для выбора рациональных режимов изотермического отжига, обеспечивающих снятие наклепа до начала образования промежуточных интерметаллидных соединений и получение композиционного материала с повышенными физико-механическими свойствами.
-
Определены зависимости между кинетикой роста промежуточных фаз, температурой и временем отжига, что позволило прогнозировать изменение свойств биметалла медь-алюминий в процессе эксплуатации.
Практическая ценность.
1. Разработан способ сварки тонколистовых материалов (от 0,2 до 1,0 мм) с применением промежуточных клиновидных элементов из инертных материалов малой плотности (поролон, пенопласт и др.),
что позволило использовать для сварки стандартные взрывчатые вещества (ВВ). Получен патент РФ на изобретение №2185942 от 27.07.2002 г. "Способ получения неразъемных соединений сваркой взрывом".
-
Создан пакет прикладных программ, позволяющий производить расчет параметров сварки взрывом различных тонколистовых композиций по предложенному способу.
-
Разработан новый вариант изготовления переходных биметаллических медно-алюминиевых шайб электротехнического назначения. Внедрение данных элементов на предприятии ФГУП "НИИЭМП" (г. Пенза) с улучшенным, по сравнению с аналогичными шайбами, полученными холодной сваркой, комплексом электрофизических и механико-эксплуатационных характеристик, достигнутым применением технологии сварки взрывом позволило получить фактический экономический эффект 40000 руб. (в ценах 2003 г.) Доля участия автора составила - 60 %.
-
В рамках научно-исследовательской работы: "Разработка генератора энергии электромагнитного поля на основе использования фоновых напряжений круговых токов электоонов разнородных электропроводящих материалов" для ООО "ДЕЙТЕРИЙ" (г. Пенза) разработана технология изготовления биметаллических медно-алюминиевых контактов различных модификаций. Условный экономический эффект от внедрения результатов данной работы в ценах 2003 г. составил 131400 (сто тридцать одну тысячу четыреста) руб.
Основные положения, выносимые на защиту.
Новый способ сварки взрывом, позволяющий управлять структурой и свойствами соединений при получении тонколистового биметалла медь-алюминий.
Математическая модель и пакет прикладных программ по рационализации параметров процесса сварки взрывом, необходимые для получения заданных характеристик материалов.
Методы теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру и свойства биметалла медь-алюминий.
Концептуальная зависимость структурных превращений в биметалле медь-алюминий при термической обработке и изучения его физико-механических характеристик.
Технология термической обработки полученного биметалла, обеспечивающая повышенные свойства изделий.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-практических и технических конференциях: "Новые материалы и технологии на рубеже веков" (г. Пенза, 2000 г.), "Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом" (г. Заречный, Пензенская область, 2000 г.), "Сварка и смежные технологии" (г. Москва, 2000 г.), " Материалы и технологии XXI века " (г. Пенза, 2001 г.), "Физическая мезомеханика материалов" (г. Томск, 2001 г.), "Современные материалы и технологии -2002" (г. Пенза, 2002 г.); в Межвузовских сборниках научных трудов «Сварка взрывом и свойства сварных соединений» (г. Волгоград, 2000 и 2002 гг.); на научной сессии МИФИ-2003 "Физические проблемы материаловедения. Перспективные наукоемкие технологии. Физика, химия и компьютерная разработка материалов" (г. Москва, 2003 г.); ежегодных научных конференциях в Пензенском государственном университете (1999 - 2003 гг.).
Результаты диссертационной работы награждены дипломом Всероссийского научно-промышленного форума "Россия единая 2002", удостоены золотой медали третьего международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2003 г.).
Публикации.
По материалам работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе патент на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 107 наименований, и двух приложений. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 45 рисунков.
